[논문 리뷰] Geometric signatures of tissue surface tension in a three-dimensional model of confluent tissue

Preeti Sahu, J. M. Schwarz외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 10.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 86인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 3차원 융합 조직에서 두 세포 유형 간의 조직 표면 장력이 기하학적 서식지—이방성 유사 정렬, 이중 모드의 면적 분포, 그리고 인터페이스에서 세포 중심의 정렬—을 생성함으로써 3차원 조직 분할 데이터로부터 직접적으로 상호면 장력을 추정할 수 있음을 제안한다. 3차원 바르노이 모델과 최소 순서 정렬 격자 모델을 사용하여 저자들은 부피 내 세포 형태 선호도와 상호면 에너지 최소화 간의 경쟁이 이러한 특징을 이끌어내며, 이들이 도입된 장력에 비례하여 선형적으로 증가함을 보여준다.

ABSTRACT

In dense biological tissues, cell types performing different roles remain segregated by maintaining sharp interfaces. To better understand the mechanisms for such sharp compartmentalization, we study the effect of an imposed heterotypic tension at the interface between two distinct cell types in a fully 3D model for confluent tissues. We find that cells rapidly sort and self-organize to generate a tissue-scale interface between cell types, and cells adjacent to this interface exhibit signature geometric features including nematic-like ordering, bimodal facet areas, and registration, or alignment, of cell centers on either side of the two-tissue interface. The magnitude of these features scales directly with the magnitude of imposed tension, suggesting that biologists can estimate the magnitude of tissue surface tension between two tissue types simply by segmenting a 3D tissue. To uncover the underlying physical mechanisms driving these geometric features, we develop two minimal, ordered models using two different underlying lattices that identify an energetic competition between bulk cell shapes and tissue interface area. When the interface area dominates, changes to neighbor topology are costly and occur less frequently, which generates the observed geometric features.

연구 동기 및 목표

• . 본 논문은 3차원 융합 조직에서 조직 표면 장력이 날카롭고 변형 가능한 인터페이스를 어떻게 유도하는지 이해하는 것을 목표로 한다.
• 이중 세포 유형 간 인터페이스에서 기하학적 특징이 이종성 상호면 장력(HIT)의 직접적인 읽기로 기능할 수 있는지 조사한다.
• 특히 위상 제약 조건과 에너지 경쟁의 역할을 포함한 3차원에서 세포 정렬의 물리적 메커니즘을 밝히는 데 목적이 있다.
• 기하학적 특징이 HIT 크기와 선형적으로 스케일링됨을 검증하여 직접 장력 측정 없이도 실험적으로 추정할 수 있음을 목표로 한다.
• 최소 모델이 전체 3차원 시뮬레이션에서 관찰된 기하학적 질서를 재현하고 설명할 수 있는지 테스트한다.

제안 방법

• . 3차원 바르노이 타일링 모델을 사용하여 주기적 경계 조건과 세포 중심을 바르노이 종자로 갖는 융합 조직을 시뮬레이션한다.
• 세포는 선호 체적 V₀와 표면적 S₀를 할당받으며, 선호 형태 지표 s₀ = S₀/V₀^(2/3)로 정의된다.
• 이종성 상호면 장력(HIT)은 서로 다른 세포 유형 간의 표면적을 줄이는 데 유리한 추가 에너지 항으로 도입된다.
• 부피 내 세포 형태 에너지와 상호면 에너지 간의 경쟁을 분리하기 위해 BCC 및 HCP 두 가지 최소 순서 정렬 격자 모델을 개발한다.
• 세포 층 간 정렬(레지스트리)의 변화가 공유 표면적과 총 에너지에 미치는 영향을 분석한다.
• 수치적 시뮬레이션과 가장 급격한 경향 다이내믹스를 통한 에너지 최소화를 통해 기계적 평형 상태와 복귀력의 특성을 분석하며, 외부 자극을 통해 힘 반응을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 3차원 융합 조직에서 두 세포 유형 간 인터페이스에서 기하학적 특징이 이종성 상호면 장력(HIT)의 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있는가?
• RQ2 이방성 유사 정렬, 이중 모드 면적 분포, 그리고 인터페이스에서 세포 중심 정렬의 기원이 되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 부피 내 세포 형태 선호도와 상호면 에너지 간의 경쟁이 3차원에서 총 시스템 에너지를 어떻게 최소화하는가?
• RQ4 인터페이스 변형에 대한 복귀력 반응은 기계적 평형 상태에서 후크 법칙 또는 비후크 법칙(두른 형태)의 특성을 보이는가?
• RQ5 최소 격자 모델이 전체 3차원 바르노이 시뮬레이션에서 관찰된 기하학적 및 에너지적 특징을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• . 이종성 상호면 장력(HIT)이 작용할 경우 세포는 빠르게 별도의 구획으로 정렬되며, 3차원에서 날카롭고 변형 가능한 인터페이스를 형성한다.
• . 인터페이스에 인접한 세포는 이방성 유사 정렬을 보이며, 면적 분포가 이중 모드를 띤다.
• . 인터페이스 양측의 세포 중심은 정렬(등록)을 보이며, 이는 HIT 크기와 선형적으로 스케일링되는 기하학적 서식지이다.
• . 기하학적 서식지의 강도—이방성 정렬, 이중 모드 면적, 정렬—은 도입된 상호면 장력의 크기에 비례하여 증가한다.
• . 변형된 인터페이스 세포에 대한 복귀력은 고장력 상태에서 두른 형태의 비후크 법칙적 행동을 보이며, 위상 제약 조건으로 인한 비해석적 에너지 최소값을 시사한다.
• . 최소 모델(BCC 및 HCP 격자)은 부피 내 세포 형태 에너지와 상호면 에너지 간의 경쟁이 3차원에서 세포 정렬과 기하학적 서식지의 기원을 이끌어내는 데 기여함을 확인한다.